第 5 章 植被生态遥感

1、6.3 植被生态遥感植被生态遥感内容提要n1 植被光谱特征n2 植被指数n3 植被生态遥感的应用1 植物的光谱特征n健康植物的反射光谱特征：n 两个反射峰、五个吸收谷1） 植物的光谱特征n红边位移： 所谓“红边”是指红光区叶绿素吸收减少部位到近红外高反射率之间，健康植物的光谱响应陡然增加的一个窄条带区。 作物快成熟时，其叶绿素吸收边向长波方向移动，即红移。2） 影响植物光谱的因素 q 叶子的颜色q 叶子的组织结构q 叶子的含水量q 植物的覆盖度叶子的颜色n植物叶子中含有多种色素，如叶青素、叶红素、植物叶子中含有多种色素，如叶青素、叶红素、叶黄素、叶绿素等，在可见光范围内，其反射峰叶黄素、叶绿素

2、等，在可见光范围内，其反射峰值落在相应的波长范围内值落在相应的波长范围内 叶子的组织结构绿色植物绿色植物的叶子是的叶子是由上表皮、由上表皮、叶绿素颗叶绿素颗粒组成的粒组成的栅栏组织栅栏组织和多孔薄和多孔薄壁细胞组壁细胞组织（海绵织（海绵组织）构组织）构成。成。叶子的组织结构叶子的组织结构及光谱特征及光谱特征n叶绿素对紫外线和紫色光叶绿素对紫外线和紫色光的吸收率极高，对蓝色光的吸收率极高，对蓝色光和红色光也强烈吸收，以和红色光也强烈吸收，以进行光合作用。进行光合作用。v 对绿色光部分则部分吸收，部分反射，所以叶子呈绿色，并形对绿色光部分则部分吸收，部分反射，所以叶子呈绿色，并形 成在成在0.55

3、0.55m,m,附近的一个小反射峰值，而在附近的一个小反射峰值，而在0.330.33m-0.45m-0.45m m及及 0.650.65m m附近有两个吸收谷。叶子的多孔薄壁细胞组织（海绵组附近有两个吸收谷。叶子的多孔薄壁细胞组织（海绵组 织）对织）对0.80.8m-1.3m-1.3m m的近红外光强烈地反射，形成光谱曲线上的近红外光强烈地反射，形成光谱曲线上 的最高峰区。其反射率可达的最高峰区。其反射率可达4040，甚至高达，甚至高达60%60%，吸收率不到，吸收率不到1515。 叶子的含水量n叶子在叶子在1.451.45m-1.95m-1.95m m和和2.6-2.72.6-2.7m m处

4、各有一个吸收处各有一个吸收谷，这主要由叶子的细胞液、细胞膜及吸收水分所形谷，这主要由叶子的细胞液、细胞膜及吸收水分所形成。植物叶子含水量增加将使整个光谱反射率降低，成。植物叶子含水量增加将使整个光谱反射率降低，反射光谱曲线的波状形态变得更为明显，特别是在近反射光谱曲线的波状形态变得更为明显，特别是在近红外波段，几个吸收谷更为突出。红外波段，几个吸收谷更为突出。植物的覆盖度n当植被叶子的密度当植被叶子的密度不大，不能形成对不大，不能形成对地面的全覆盖时，地面的全覆盖时，传感器收到的反射传感器收到的反射光不仅是植被本身光不仅是植被本身的光谱信息，而且的光谱信息，而且还包含部分下垫面还包含部分下垫面

5、的反射光，是两者的反射光，是两者的叠加。的叠加。3）不同植物类型的区分1、不同植物由于叶子的组织结构和所含色素不同，具有不同的光谱特征。 在近红外光区，草本植物的反射高于阔叶树，阔叶树高于针叶树。2、利用植物的物候期差异来区分植物。3、根据植物的生态条件区别植物类型。3）不同植物类型的区分2.2.植被指数植被指数n遥感图像上的植被信息，主要通过绿色植物叶子和遥感图像上的植被信息，主要通过绿色植物叶子和植被冠层的光谱特性及其差异、变化而反映的，不植被冠层的光谱特性及其差异、变化而反映的，不同光谱通道所获得的植被信息可与植被的不同要素同光谱通道所获得的植被信息可与植被的不同要素或某种特征状态有各种

6、不同的相关性，如叶子光谱或某种特征状态有各种不同的相关性，如叶子光谱特性中，可见光谱段受叶子叶绿素含量的控制、近特性中，可见光谱段受叶子叶绿素含量的控制、近红外谱段受叶内细胞结构的控制、中红外谱段受叶红外谱段受叶内细胞结构的控制、中红外谱段受叶细胞内水分含量的控制。细胞内水分含量的控制。 n再如，可见光中绿光波段再如，可见光中绿光波段0.520.52m-0.59 m-0.59 m m对区分植对区分植物类别敏感；红光波段物类别敏感；红光波段0.630.63m-0.69m-0.69m m对植被覆盖度、对植被覆盖度、植物生长状况敏感等。但是，对于复杂的植被遥感，植物生长状况敏感等。但是，对于复杂的植

7、被遥感，仅用个别波段或多个单波段数据分析对比来提取植仅用个别波段或多个单波段数据分析对比来提取植被信息是相当局限的。因而往往选用多光谱遥感数被信息是相当局限的。因而往往选用多光谱遥感数据经分析运算（加、减、乘、除等线性或非线性组据经分析运算（加、减、乘、除等线性或非线性组合方式），产生某些对植被长势、生物量等有一定合方式），产生某些对植被长势、生物量等有一定指示意义的数值指示意义的数值即所谓的即所谓的“植被指数植被指数”。它用。它用一种简单有效的形式来实现对植物状态信息的表达，一种简单有效的形式来实现对植物状态信息的表达，以定性和定量地评价植被覆盖、生长活力及生物量以定性和定量地评价植被覆盖、

8、生长活力及生物量等。等。植被指数：植被指数：是由遥感图像的多光谱数据，经线是由遥感图像的多光谱数据，经线性和非线性组合构成的对植被有一定指示意性和非线性组合构成的对植被有一定指示意义的各种数值。义的各种数值。在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段和对绿色植物高反射和高透射可见光红波段和对绿色植物高反射和高透射的近红外波段。的近红外波段。植被指数的种类植被指数的种类在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段和对绿色植物高反射和高透射的近红外波段。和对绿色植物高反射和高透射的近红外波

9、段。（1）比值植被指数）比值植被指数 由于可见光红光波段与近红外波段对绿色植物的光谱响应十分由于可见光红光波段与近红外波段对绿色植物的光谱响应十分不同，两者简单的数值比能充分表示两反射率之间的差异，为比值不同，两者简单的数值比能充分表示两反射率之间的差异，为比值植被指数。植被指数。RNIRDNDNRVI （2）归一化植被指数）归一化植被指数归一化植被指数为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波归一化植被指数为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值。段数值之和的比值。RNIRRNIRDNDNDNDNNDVI在植被遥感中，在植被遥感中，NDVI应用广泛的原因：应用广泛的原因

10、：（1）NDVI是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。（2）NDVI经比值处理，可以部分消除与太阳高度角、卫星观测角、地形、云和经比值处理，可以部分消除与太阳高度角、卫星观测角、地形、云和大气条件有关的辐照度条件变化等的影响。大气条件有关的辐照度条件变化等的影响。（3）对于陆地表面主要覆盖而言，云、水、雪在可见光波段比近红外波段有较）对于陆地表面主要覆盖而言，云、水、雪在可见光波段比近红外波段有较高的反射作用，因而其值为负值。高的反射作用，因而其值为负值。（4）NDVI增强了近红外与红色通道反射率的对比度，其结果增强了低值部分，增强了近红外与红色通

11、道反射率的对比度，其结果增强了低值部分，抑制了高值部分。抑制了高值部分。（5）NDVI对土壤背景的变化较为敏感。对土壤背景的变化较为敏感。（3）差值植被指数）差值植被指数差值植被指数为近红外波段与可见光红波段数值之差。差值植被指数为近红外波段与可见光红波段数值之差。RNIRDNDNDVI3.3.植被生态遥感的应用植被生态遥感的应用n植被生态健康状况的解译植被生态健康状况的解译n植被及其动态变化制图植被及其动态变化制图n城市绿化调查城市绿化调查n草场资源调查草场资源调查n林业资源调查林业资源调查植物生长状况的解译n健康的绿色植物健康的绿色植物具有典型的光谱具有典型的光谱特征。遭受病虫特征。遭受病

12、虫害的植物其反射害的植物其反射光谱曲线的波状光谱曲线的波状特征被拉平。特征被拉平。植被及其动态变化制图植被及其动态变化制图n应用遥感影像进行植被分类制图，尤其是大范围的应用遥感影像进行植被分类制图，尤其是大范围的植被制图，是一种非常有效而且节约人力物力的工植被制图，是一种非常有效而且节约人力物力的工作。作。n随着全球生态环境的变化，植被生态遥感从主要了随着全球生态环境的变化，植被生态遥感从主要了解局地植被状况和类型，发展到围绕全球生态环境解局地植被状况和类型，发展到围绕全球生态环境而进行大尺度（全球、洲际、国家）植被的动态监而进行大尺度（全球、洲际、国家）植被的动态监测及植被与气候环境的关系的

13、研究上。测及植被与气候环境的关系的研究上。呼伦贝尔市草地类型分布图 植被净初级生产力模型植被净初级生产力模型RGPPNPP其中NPP、GPP 和R 分别表示净第一性生产力、总第一性生产力和呼吸作用消耗，单位为 gC hm-2 year-1。PARFPARGPPg草地净初级生产力计算结果草地净初级生产力计算结果 ：2006年呼伦贝尔市草地GPP空间分布图 NPP计算结果计算结果:2006年呼伦贝尔市草地NPP空间分布图 模拟NPP与实测NPP关系城市绿化调查城市绿化调查n改善城市的生态环境，提高城市绿化水平，改善城市的生态环境，提高城市绿化水平，是城市生态建设的重要问题。是城市生态建设的重要问题

14、。n三维绿化指数（绿量）三维绿化指数（绿量）草场资源调查草场资源调查 n草场上牧草的长势好坏与牧草的产量直接相关，而产草量是载草场上牧草的长势好坏与牧草的产量直接相关，而产草量是载畜量（单位面积草场可养牲畜的头数）的决定因素。在应用遥畜量（单位面积草场可养牲畜的头数）的决定因素。在应用遥感技术确定草场类型，进行草场质量评价的基础上，结合地面感技术确定草场类型，进行草场质量评价的基础上，结合地面样点光谱测量数据，找出某类植被指数与产草量的关系即可进样点光谱测量数据，找出某类植被指数与产草量的关系即可进行草场资源调查行草场资源调查 n此外还可将产草量指标与实际载畜量进行比较，以确定哪些草此外还可将

15、产草量指标与实际载畜量进行比较，以确定哪些草场还有潜力，哪些草场属于超载，从而为畜牧业的发展提供科场还有潜力，哪些草场属于超载，从而为畜牧业的发展提供科学的依据。在具体工作中还可划分出不同草场类型，不同产草学的依据。在具体工作中还可划分出不同草场类型，不同产草量等级，分别确定合理的载畜量。量等级，分别确定合理的载畜量。林业资源调查林业资源调查n林业部门是采用遥感技术进行资源调查最早的部门之林业部门是采用遥感技术进行资源调查最早的部门之一，在我国的各大林区都应用过遥感影像制作森林分一，在我国的各大林区都应用过遥感影像制作森林分布图、宜林地分布图等，并对林地的面积变化进行动布图、宜林地分布图等，并

16、对林地的面积变化进行动态监测。尤其是态监测。尤其是1987-19901987-1990年之间全面开展的年之间全面开展的“三北三北”防护林遥感综合调查的重点科技攻关项目，对横贯我防护林遥感综合调查的重点科技攻关项目，对横贯我国的东北、华北和西北已建的防护林网的分布、面积、国的东北、华北和西北已建的防护林网的分布、面积、保存率和有效性进行评估。保存率和有效性进行评估。遥感在土地利用/土地覆盖中的应用土地利用和土地覆盖 n土地利用是人类在生产活动中为达到一定的经济效益、社会效益和生态效益，对土地资源的开发、经营、使用方式的总称。n土地覆盖的定义有：n1)“国际地圈与生物圈计划”（IGBP）和“全球环

17、境变化人文计划”（HDP）：地球陆地表层和近地面层的自然状态，是自然过程和人类活动共同作用的结果。n2)美国“全球环境变化委员会”（USSGCR）： 覆盖着地球表面的植被及其它特质。n从两者的定义可以看出，土地利用和土地覆盖既有一定的联系又有差别。土地利用重点是表示与土地相结合的人类活动而产生的不同利用方式。土地覆盖主要是表示地球表面存在的不同类型的覆盖特征，强调的是土地的表面形状 。n我国土地利用分类的目的是查清各县各种土地分类的面积、分布和利用状况，为国家制定国民经济计划，农业区划和规划，指导农业生产和服务与土地统计登记制度等管理工作。因此土地利用分类的主要依据是土地用途、土地经营方式、土

18、地利用方式和土地覆盖特征等。土地覆盖只是土地利用分类的一个依据，但遥感图像最能够直接反映的是土地覆盖。n大多数遥感土地应用使用土地覆盖/利用的概念。 分类标准n全国土地遥感动态监测的分类标准。该标准基本遵循了全国农业区划委员会1984年颁发的土地利用现状调查规程的分类体系，并考虑遥感图像自身的特点。土地覆盖/利用类别分类定为以下8大类49二级类别（表）。编码在矢量图形中为多边形的属性码，在栅格图像上为栅格值。 分类标准（续）示例福建土地利用动态监测数 据n福州市n遥感影像：1990年，1996年，4景LANDSAT-TMn土地利用图：长乐县1993年，1：10万n1：10万，1：5万地形图n农

19、历、耕作、农事等文字资料光谱分析福州市主要地物光谱曲线050100150200250123457波段灰度城市村庄建设中耕地（有作物）耕地（无作物）园林地荒地河流浅海深海 配 准 时相 TM 影像 地理辅助数据 时相 TM 影像 波段分析 假彩色合成 训练区选择 样本分析与校正 最大似然方法 分类结果（90和97） 行政界线清绘 扫描或数字化 矢量图形属性 投影变换 高斯克吕格 投影 矢量数据（V） 地图代数计算动态变化图象（dI） dI 和 V 配准 迭 加 初始动态图 统计数据 人机交互目视纠正 变化信息提取（续）时相遥感影像时相遥感影像配准裁剪和高克投影配准主成分分析法分析图像特征选择反映